Квантова телепортація і сплутані стани. За що цього року дали Нобелівську премію з фізики

Цього року Нобелівський комітет присудив найпрестижнішу нагороду з фізики Алену Аспекту з Франції, Джону Ф. Клаузеру зі США та Антону Цайлінгеру з Австрії за їхні експериментальні дослідження в галузі квантової фізики. 

Їхні роботи, на перший погляд, не мають майже нічого спільного з нашою повсякденною практикою. Ба більше, може здатися, що вони насміхаються над нашою логікою і здоровим глуздом. Та водночас вони прокладають шлях до створення принципово нових інформаційних технологій, зокрема квантових комп'ютерів, які можуть перевершити наші сучасні. 

Насправді не все просто

Існує уявлення, що майже всі наукові проблеми чи результати, навіть найскладніші, можна доступно пояснити не фахівцю. Головне — знайти вдалі образи, слова, аналогії чи інші прийоми — і людина зрозуміє. Побутує навіть думка, що якщо науковець коротко не може пояснити суті своєї роботи далекій від науки людині, то цілком може бути, що з науковцем і його роботою не все гаразд.

Але існує й протилежне уявлення, яке яскраво ілюструє один з епізодів інтерв'ю з відомим фізиком, лауреатом Нобелівської премії Річардом Фейнманом. Журналіст просить пояснити вченого, чому два магніти взаємодіють між собою — притягуються або відштовхуються. У відповідь Фейнман приблизно сім хвилин пояснює, чому він не може дати чесну відповідь на це питання.

Адже якісь побутові аналогії на зразок того, що два магніти з'єднані між собою гумкою, з одного боку є некоректними, а з іншого — потребують пояснення, чому розтягнута гумка «прагне» скорочуватися. І це пояснення буде зовсім не простим. Зрештою вчений констатує, що не може майже нічого пояснити про магнетизм людині, яка не знається на фізиці, бо він і сам гадки не має, як взаємодіють магніти в загальнозрозумілих категоріях.

Нічого спільного з видимим світом 

Коли йдеться про дослідження в галузі фізики, за які дають Нобелівські премії, то не всі вони недосяжні для розуміння «звичайної людини», яка знає фізику в кращому разі на рівні школи. Наприклад, у 2019 році половину премії дали двом науковцям за відкриття першої відомої нам екзопланети.

Це справді видатне досягнення, і автори без жодного сумніву доклали величезних зусиль, щоб його здійснити. Але результат їхньої роботи зрозуміє будь-хто: навколо однієї з далеких зірок обертається масивна планета, яка дещо нагадує Юпітер, і вчені знайшли спосіб, як довести цей цікавий та важливий факт.

Порівняна «простота» цього відкриття пов'язана з тим, що йдеться про явища, більш-менш знайомі нам у повсякденні. З дитинства ми бачимо на нічному небі зорі, планети й Місяць. Навіть дитині нескладно зрозуміти в загальних рисах, що таке Сонячна система і як поводяться у ній планети. Екзопланети — це щось подібне, якщо не вдаватись у подробиці.

Дослідники, яким цього року присудили Нобелівську премію з фізики, працюють із квантовою механікою. Ця галузь фізики описує закони, якими керуються об'єкти у мікросвіті. Вони настільки малі, що ми не можемо їх побачити. Хоча закони в цьому світі цілком реальні, вони не мають майже нічого спільного з нашим повсякденним досвідом і, здається, навіть порушують відомі нам закони логіки.

Сплутані квантові стани

Є твердження, що елементарні частинки одночасно проявляють властивості часточок і хвиль. Нам нескладно уявити якусь маленьку часточку, і ми можемо розібратися з тим, що таке хвиля. Але поєднати їх в одне ціле у нашій уяві — незрівнянно складніше. Саме тому, коли електрон зображують у вигляді кульки, що кружляє навколо атомного ядра, це не просто спрощення, але й серйозне викривлення реальності.

Питання, які досліджують цьогорічні Нобелівські лауреати, аж ніяк не простіші за цей електрон — це так звані сплутані квантові стани. У квантовій фізиці «заплутаність» — це явище, під час якого дві частинки перебувають в одному стані, навіть якщо вони далеко одна від одної. Щоб краще його пояснити, доведеться залучити аналогію з м'ячами, хоча справжні м'ячі, як ми зараз пересвідчимось, ніколи так не поводяться.

М'яч випадкового кольору

Уявімо собі машину, яка має всередині два «заплутані» м'ячі — аналогії частинок із квантового світу. Хоча ми поки не бачимо цих м'ячів, проте знаємо, що вони сірі й можуть набувати лише двох характеристик — бути білими або чорними. Потім машина одночасно викидає м'ячі у протилежних напрямках, і коли один зі спостерігачів ловить м'яч, він бачить, що той білий. За законами квантового світу в той самий момент другий м'яч стає чорним, оскільки вони є заплутаними.

Важливо зрозуміти (а точніше, доведеться повірити), що м'яч стає білим або чорним лише в той момент, коли ми його спостерігаємо. І що також важливо, він «обирає» свій колір цілком випадково: до початку нашого спостереження цей колір неможливо передбачити. Іншими словами, не існує жодної прихованої інструкції щодо того, яким стане м'яч, коли ми на нього подивимося — чорним чи білим. Це цілком випадковий результат.

Телепортація

Уявлення про такі сплутані стани може допомогти зрозуміти явище квантової телепортації.

Уявімо дві частинки, що рухаються у протилежних напрямках. Одна з них зустрічає третю частинку і з нею заплутується. Водночас третя частинка (яка була спочатку без пари) передає свої характеристики тій, що тепер залишилися без пари. Ця передача характеристик, або стану частинки, і називається квантовою телепортацією. Вперше експериментально це явище показав Антон Цайлінгер разом із його колегами у другій половині 1990-х років.

У процесі телепортації є важливий момент, усвідомлення якого також виходить за межі повсякденного досвіду. Коли ми вимірюємо стан частинки, то не можемо отримати всю інформацію — лише певну порцію. Решта інформації в момент вимірювання або спостереження назавжди зникне, і відновити її принципово неможливо. Натомість завдяки телепортації від частинки до частинки передається вся інформація без жодних втрат.

Наступний експеримент групи Цайлінгера був пов'язаний із двома парами сплутаних частинок. Дослідники показали: якщо з кожної сплутаної пари взяти по одній частинці й об'єднати у певний спосіб, щоб вони заплуталися між собою, то дві інші частинки, які не були ніяк залучені, також заплутаються між собою — попри те, що вони ніколи не зустрічали одна одну.

Навіщо нам фундаментальна наука

Є ще одне популярне уявлення про науку: будь-які дослідження мають на меті отримати прикладний результат. Мовляв, інші дослідження — зайві, якими б цікавими вони не були. Тому що коштів на них витрачається багато, а віддачі у вигляді, скажімо, певних технологій чи ліків немає жодної. Такі роздуми легко підштовхують до того, щоб фінансувати лише прикладні дослідження і не зважати на фундаментальні. Але такі міркування хибні принаймні з кількох причин.

По-перше, фундаментальні дослідження можуть призводити до появи «побічних продуктів». Наприклад, передові технології дослідження далекого космосу можуть підказати шляхи «спостереження» за процесами в нашому організмі. Уже з’явилися певні системи обробки інформації, які аналізують зображення космічних туманностей і за тією ж схемою — тих живих тканин організму людини, де відбуваються злоякісні процеси. А вже на їхній основі створюються технології для діагностики тих чи інших захворювань.

По-друге, логіка розвитку науки передбачає, що вона не може займатися винятково прикладними дослідженнями. Вона просто так не працює, навіть якщо нам дуже хочеться. Це як хотіти, аби на полі одразу виростали нарізані буханки хліба. Це справді було б зручно, але в реальному світі ми мусимо спочатку виростити пшеницю, обмолотити зерно, змолоти борошно, замішати тісто — і лише після цього отримаємо хліб.

І по-третє, в науці часто буває так, що дослідження проводять без жодної прикладної мети — хоча б тому, що ніхто не здатний таку мету передбачити. Можливо, такі дослідження справді ще багато років або й ніколи не матимуть прикладного значення (ми ж не сподіваємося, що за нашого життя зможемо відвідати якусь екзопланету, яких учені відкрили вже тисячі).

Від заплутаності до комп'ютерів

Але трапляється й інакше: фундаментальні дослідження, які спочатку проводилися невідомо для чого (з практичного погляду), згодом призвели до цілком прикладних результатів. Іншими словами, навряд чи дослідники електрики у XIX столітті мріяли про те, щоб задовольнити наш запит на електромобілі. Але без їхніх досліджень ми б точно не мали електромобілів, як і інших речей, що тісно увійшли в наше життя.

Випадок зі сплутаними станами цілком може стати таким прикладом. Явище квантової телепортації, наприклад, можна використовувати для передачі оптичними волокнами інформації за допомогою фотонів (часточок світла). Загалом експерименти Цайлінгера, про які ми згадували, а також дослідження Клаузера й Аспект заклали основи для створення квантових мереж і комп'ютерів. Вони принципово відрізняються від звичних для нас комп'ютерів і завдяки цьому здатні здійснювати значно складніші обчислення.

Минулого року половину Нобелівської премії з фізики отримали Сюкуро Манабе (США) та Клаус Хассельман (Німеччина), чиї дослідження допомогли нам зрозуміти, чому змінюється клімат і як на це впливає людина. Іншу половину премії отримав Джорджіо Парізі (Італія), який вивчав закономірності поведінки атомів у деяких металічних сплавах. Ці закономірності виявилися актуальними і для кліматичної та інших складних систем.